双向有线电视网络技术总结

有线电视双向网络 一、有线电视网络的组成 二、有线电视传输系统 三、用户接入网及常见接入技术和其优缺点 四、有线电视双向网络光节点的安放位置 五、常用光设备介绍 1 有线电视网络的组成 有线电视网络组成 有线电视 网络 系统由 四 部分组成： 信号源系统、 前端系统、传输系统和 用户 分配系统 。 1.1、信号源系统 信号源是提供传送广播电视信号节目的源头，是指提供系统所需各类优质信号的各种设备。有线电视的信号源分为两大类：一类是从空中收转的各种电视信号。另一类是有线电视系统自办的电视节目。 1.2、前端系统 位于信号源和传输系统之间，对传输信号进行各种技术处理的设备组合。它是系统信号处理的中 心，它将信号源输出的各类信号分别进行处理，并最终混合成一路复合射频信号提供给传输系统， 前端设备的性能，对整个系统的信号质量起着决定性的作用。 2 有线电视网络的组成 图 1.1、 现代有线电视系统的基本组成 3 1.3、 传输系统和 用户 分配系统 现代有线电视系统最根本的目的是要解决覆盖问题，因此，由前端产生的复合射频信号最终必须通过合理的传输分配网络才能被准确、优质地传送到千家万户。 传输分配网络通常由传输干线和用户分配网组成，从目前采用的传输媒介看，传输分配网络主要有四种应用模式：即 HFC网（光纤同轴电缆混合网，传输干线由光纤传输系统组成，而用户分配网则仍然是同轴电缆）、同轴电缆网（传输分配均采用同轴电缆）和 MMDS（多路微波分配系统）系统。还有一种 LAN接入方式。 MMDS通常只做辅助或补充手段，在一些地形特殊、用户分散、不便于铺缆架线的地区使用。 4 有线电视传输系统 5 有线电视传输系统 2.1、有线电视传输系统介质 光缆 光缆是一种传输媒体，它以一定波长的光和被调制的电视信号在其中传播。光缆传输具有损耗低、距离远、频带宽、容量大、信号质量好、保真度高、可靠性高、抗干扰力强等优点，故而有着广阔的应用前景。 2.2、光缆传输的基本原理 有线电视光缆调制，是通过所传的电视信号副载波去改变发光器件的光强度来达到调制目的的。 其主要调方式有三种：一为调频调制方式，二为调幅调制方式，三为数字调制方式。 6 调频光缆传输系统示意图 视频 音频 调频调制器 170MHz 混 合 器 视频 音频 调频调制器 n70MHz 光发射机 光接收机 EDF 视频 音频 调频解调器 1 70MHz 分 配 器 视频 音频 调频解调器 n 70MHz FM/AM 掺饵光纤 (EDF) 其中少了宽带接入部分，该部分在 olt局端与电视信号混合，如下图所示 7 数字电视信号 数字电视、宽带数据光传输示意图 (下行） OLT为光线路终端设备（ optical line terminal）具体功能后边详细介绍。 合波器将有线电视信号和宽带及电话的混合信号通过波分复用混合在一起通过接入网传输 8 有线电视传输系统 2.3、调频光缆传输系统 用多路视音频信号对 70MHz的中频副载波进行调频，再经上变频器将其变换为不同的电视高频信号，然后混合起来去调制光信号的强度。这种方式的优点是传输的图像质量高、传输距离远（超过 40公里后，其信噪比仍达 60dB以上）、光接收机的灵敏度高。缺点是所占频带较宽，且光接收机输出的信号不能被电视机直接接收，需要经过FM/AM转换为 残留边带调幅信号 ，才能送入用户分配网。 调频光缆传输系统的组成 调频光缆传输系统大致由调频调制器、多路混合器、光发射机、光接收机、分配器和调频解调器等器件组成。 9 2.4、调幅光缆传输系统 用残留边带调幅的方法将多路视音频信号调制到不同的高频副载波上，并经混合器混合得到一宽带高频信号，再用此信号去调制光信号的强度。这种方式的优点在于能传输较多的电视节目信号，缺点是光接收机的灵敏度较低，传输距离不远（ 30公里左右）。 由前端混合器输出的高频电视信号通过光发射机调制为光信号送入光分路器，由光分路器分成多路注入多芯光缆进行传输；如果传输距离超过 35公里以上，则加入光中继站放大后再进行传输，直至送到光接收机解调为电信号，然后由用户分配网进行分配。 10 2.5、数字光缆传输系统 数字光缆传输系统由视音频处理器、信源编码器、时分复用器、光发射机、光接收机、解复用器和信源解码器组成。 原理： 视音频信号经过视音频处理器 (由放大、滤波、整形等电路构成 )的放大、滤波、整形等处理送入信源编码器，由编码器将其变为 PCM脉冲数字信号，经过时分复用器将多路 (两路以上 )低速数字信号合成为一路高速数字信号送光发射机，进行数字调制后变为光信号；此信号通过光缆传输到光接收机，由光接收机将光信号变为电信号 (高速数字视音频信号 )送解复用器，由解复用器把一路高速数字信号分接成多路低速数字信号，经信源解码器解码还原为模拟视音频信号，再经调制器调制为电视高频信号，然后送入用户分配网络进行分配。 11 2.6、光缆传输系统的主要设备和器材 光纤和光缆 光纤是导光玻璃纤维的简称，是用来传输光信号的媒介，它由纤芯、包层和涂覆层等组成。光缆是由多根光纤及加强芯和外护套构成。 12 光纤的分类 （ 1）按传输光波的模式不同分为多模光纤和单模光纤。光在光纤介质中传播，它的电磁场在光纤中将按一定的方式分布，这种分布方式称之为模式。 单模光纤 是指只允许一种电磁场分布存在的光纤。 多模光纤 是指允许多种电磁场分布方式同时存在的光纤。 （ 2）按二次被覆结构的不同分为紧包光纤和松套光纤。 （ 3）按纤芯折射率分布类型不同分为突变型光纤和渐变型光纤。对多模光纤而言，其传输特性与横截面积上的折射率分布有很大关系，其折射率分布有突变型和渐变型两种。 13 有线电视 1310nm光传输技术和 1550nm光传输技术 二者比较： 都属于单模光纤传输技术。 前者传输距离小于 35km，单模衰减 0.35db/km,更长距离时需要加光中继站 . 后者后接光放大器（ EDFA Erbium-doped Optical Fiber Amplifier ）传输距离大于 35km,单模衰减 0.25db/km,适合长距离传输 ,减小系统的失真 .允许更多的光分路器 .缺点是：单个设备成本较高增加最初的资金投入，必须考虑备件的成本。产品复杂，故障会导致停止更多用户的业务。 14 15 光缆 光缆是由缆芯和护套两大部分组成，如图所示为几种常见光缆结构横截面示意图。 16 光缆的连接 1）固定连接 （ 1）熔融连接。 （ 2）粘接连接。 2）活动连接 活动连接器产品有光纤跳线、跳线光缆、尾纤光缆、扇出尾纤。 3）光纤活动接头 17 4）光接续盒、光配线箱、光终端盒 18 光路器件 在对光信号进行处理时，需要对光信号进行耦合、分配、分支、隔离、滤光、合波、分波等处理，这些功能都由相应的器件来完成。 19 光发、光收及光发大器 20 21 用户接入层以及常见接入技术及其优缺点 22 用户接入网（层）以及常见接入技术及其优缺点 23 用户接入网（层）： 从传输系统接收光信号并负责把信号汇聚转换，控制用户上下行通信和负责信号分配的一层，或可以称之为用户接入网。功能是接收传输系统发送过来的信号并经过相应处理转换分发给用户，使用户能够使用相应业务。 24 用户光接入层的定义： 概言之就是由 一个光线路终端（ OLT） 、至少一个 光分配网（ ODN） 、至少一个 光网络单元（ ONU optical network unit ） 及 适配设施（ AF） 组成。 光分配网：由光缆、光分 /合路器、光纤连接器等无源器件构成的 ONU与 OLT之间的光通路连接。 OLT： optical line terminal(光线路终端），用于连接光纤干线的终端设备。一般位于分局中心机房 ,在整个网络中充当网络汇聚层的功能，负责用户接入网的汇聚和业务的分离。 根据 OLT到 ONU之间是否存在有源设备，光接入网分为： 无源光网络（ PON）：无源光分路器 有源光网络（ AON）：有源电复用器 通信方式 下行通信： OLT将信号时分复用成时隙流，经光分路器广播至 ONU 各 ONU在规定的时隙接收信息 。 上行通信：各 ONU共享一根光纤，任意时刻只能有一个 ONU发送信号。 复用方式：空分复用、时分复用、 波分 复用 。 空分复用：上下行双向通信各使用一根光纤；性能最佳，设计简单；光传输设备和线缆双倍，成本高。 时分复用：在同一光载波波长上，把时间分成周期性的帧，每一个帧再分成若干时隙，每个 ONU分配一个固定时隙。每个 ONU在每帧内只能在所分配的固定时隙内向 OLT上传数据。 波分复用：不同波长的光信号复用到一根光纤中进行传送，每个波长作为一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。 WDM：不同窗口的光波进行复用。 DWDM：同一窗口的光波进行复用 25 OLT的功能 OLT功能 1、向 ONU以 广播 方式发送 以太网 数据； 2、发起并控制测距过程，并记录测距信息； 3、为 ONU分配 带宽 ；即控制 ONU发送数据的起始时间和发送窗口大小 EPON无源光网络 系统中的局端设备（ OLT），是一个多业务提供平台，同时支持 IP业务和传统的 TDM业务。放置在城域网边缘或社区接入网出口，收敛接入业务并分别传递到IP网。 OLT除了提供业务汇聚的功能外，还是集中网络管理平台。在 OLT上可以实现基于设备的网元管理和基于业务的安全管理和配置管理。不仅可以监测、管理设备及端口，还可以进行业务开通和用户状态监测，而且还能够针对不同用户的QOS/SLA要求进行带宽分配。 26 ONU的功能 光节点的全称是： Optical Network Unit，简称 ONU。一般把包括光接收机、上行光发射机、多个桥接放大器、网络监控的设备叫做光节点。 实际上是光电、电光转换的转换点，具有双向传输功能。 负责 光节点可以安放在小区中心，也可以安放在楼道中，其具体位置要根据实际的用户情况进行综合分析。 27 常见的几种接入技术以及其优缺点 1、 CMTS+CM （如图） CMTS+CM（ Cable Modem Termination System+Cable Modem） 组网方案在光传输部分，下行数据信号和 CATV的下行信号采用频分 (FDM)方式共纤传输，上行数据信号采用空分 (SDM)方式共缆不同纤传输，在电缆部分，上下行信号按 FDM方式同缆传输。 28 Cable Modem: Cable Modem的通信和普通 Modem一样，是数据信号在模拟信道上交互传输的过程，但也存在差异，普通 Modem的传输介质在用户与访问服务器之间是独立的，即用户独享传输介质，而 Cable Modem的传输介质是 HFC网，将数据信号调制到某个传输带宽与有线电视信号共享介质；另外，Cable Modem的结构较普通 Modem复杂，它由调制解调器、调谐器、加 /解密模块、桥接器、网络接口卡、以太网集线器等组成，它无须拨号上网，不占用电话线，可提供随时在线连接的全天候服务。目前 Cable Modem产品有欧、美两大标准体系， DOCSIS是北美标准， DVB/DAVIC是欧洲标准。兼容欧洲标准的 Euro DOCSIS1.1标准较流行，我国信息产业部 CM技术要求类似于这一标准 。 29 CMTS+CM工作原理 Cable Modem的技术实现一般是从 87 MHZ 860MHZ电视频道中分离出一条 6MHZ的信道用于下行传送数据。通常下行数据采用 64QAM（正交调幅）调制方式或 256QAM（高阶调制技术）调制方式。上行数据一般通过 5 MHZ-65 MHZ之间的一段频谱进行传送，为了有效抑制上行噪音积累，一般选用 QPSK调制（ QPSK比 64QAM更适合噪音环境，但速率较低）。 CMTS（ Cable Modem的前端设备）与 CM（ Cable Modem）的通信过程为： CMTS从外界网络接收的数据帧封装在 MPEG TS帧中，通过下行数据调制（频带调制）后与有线电视模拟信号混合输出 RF信号到 HFC网络， CMTS同时接收上行接收机输出的信号，并将数据信号转换成以太网帧给数据转换模块。用户端的 Cable Modem的基本功能就是将用户计算机输出的上行数字信号调制成 5 65 MHZ射频信号进入 HFC网的上行通道，同时， CM还将下行的 RF信号解调为数字信号送给用户计算机。 30 Cable Modem系统的配置、使用和管理 Cable Modem和前端设备的配置是分别进行的。 Cable Modem有用于配置的 Consol接口，可通过 VT终端或 Win9x的超级终端程序进行设置。 Cable Modem加电工作后，首先自动搜索前端下行频率，找到下行频率后，从下行数据中确定上行通道，与前端设备 CMTS建立连接，并交换信息，包括上行电平数值、动态主机配置协议 (DHCP)和小文件传送协议 (TFTP)服务器的 IP地址等。 Cable Modem具有在线功能，即使用户不使用，只要不切断电源，就与前端始终保持信息交换，用户可随时上线。 Cable Modem具有记忆功能，在断电后再次上电时，使用断电前存储的数据与前端进行信息交换，可快速地完成搜索过程。在实际使用中， Cable Modem一般不需要人工配置和操作。如果进行了设置，例如改变了上行电平数值，则会在信号交换过程中自动设置到 CMTS指定的合适数值上。每一台 Cable Modem在使用前，都需在前端登记，在TFTP服务器上形成一个配置文件。一个配置文件对应一台 Cable Modem，其中含有设备的硬件地址，用于识别不同的设 备 。 31 前端 CMTS的配置 前端 CMTS是管理控制 Cable Modem的设备， CMTS一般在有线电视的前端或者在管理中心的机房；其配置可通过 Consol接口或以太网接口完成。通过 Consol接口的配置与 Cable Modem配置类似，以行命令的方式逐项进行，而通过以太网接口的配置，需使用厂家提供的专用软件。 一般地说， CMTS的下行输出电平为 110 121dBV，接收的输入电平为 44 86-dBV； Cable Modem接收的电平范围为 45 75dBV；上行信号的电平为 68-118dBV(QPSK)或 68 115dBV(16QAM)。上下行信号在经过 HFC网络传输衰减后，电平数值应满足这些要求。 CMTS设备中的上行通道接口和下行通道接口是分开的，使用时需经过高低通滤波器混合为一路信号，再送入同轴电缆。在实际使用中，也可用分支分配器完成信号的混合，但对 CMTS设备内部的上下行通道的干扰较大。 在 CMTS和 Cable Modem间的通道建立后，可使用简单网络管理协议 (SNMP)进行网络管理。 （ Simple Network Management Protocol） 32 33 系统参数 : 标准 参数 DOCSIS V1.0 Euro DOCSIS V1.1 下行 上行 下行 上行 调制方式 64/256QAM QPSK 16QAM 64/256QAM QPSK 16QAM 传输速率 （ Mbit/s） 27/38 0.32/0.64/1.28 2.56/5.12/10.24* 38/52 0.32/0.64/1.28 2.56/5.12/10.24* 信道带宽 （ MHz） 6 0.2/0.4/0.8 1.6/3.2 8 0.2/0.4/0.8 1.6/3.2/6.4* 频率响应 （奈奎 斯特） 滤波特性 64QAM =18% 256QAM =12% QPSK =25% 64/256QAM =15% QPSK =25% 输入电平 （ dBV） -16 25dBmV* -1525dBmV 4486* 4373（ 64QAM） 4777（ 256QAM） 输出电平 （ dBV） 5061dBmV 855dBmV （ 16QAM） 858dBmV （ QPSK） 110121 68115（ 16QAM） 68118（ QPSK） CMTS输出特性 : 参 数 数 值 中心频率（ fc） 112MHz858MHz 30kHz 电平 在 110dBV121dBV内可调 调制类型 64QAM 256QAM 符号率（标称） 64QAM 256QAM 6.952Msym/s 6.952Msym/s 标称信道间隔 8MHz 频率响应 64QAM 256QAM 15%升余弦平方根整形 15%升余弦平方根整形 34 CM输入特性 : 参 数 值 中心频率 112858MHz 30kHz 电平范围（一个信道） 4373dBV， 64QAM 4777dBV， 256QAM 调制类型 64QAM和 256QAM 符号率（标称） 6.952Msym/s（ 64QAM和 256QAM） 带宽 8MHz（ 15%升余弦平方根整形，64QAM和 256QAM） 总输入功率（ 80862MHz） 6dB（ 565MHz） 连接器 F型连接器，根据 ISO-169-24（与输入公共） 36 CMTS+CM方案适合已建 HFC网络改造，可利用原网络中预留的光纤和无源分配到户的电缆网络组成双向传输系统；只需要在前端和用户端分别加装 CMTS和 CM即可实现双向传输。 CMTS+CM优点 ： 技术成熟； 利用现有的 CATV网络提供双向通信，适合稀疏模式网络覆盖区域； 大面积覆盖，低开通率情况下成本较低，前期投入少； 技术标准及产品比较成熟。 CMTS可支持大量的用户可大规模升级可靠的服务和网管软件 CMTS+CM缺点 ： 需要对 HFC光电传输链路部分进行双向改造； 上行信号噪声大； 噪声汇聚效应影响系统的带宽和性能，同轴缆及接头质量要求较高，后续维护工作量较大； CMTS下行通道带宽有限，头端共享 38Mbit/s，可开通用户数少； 可承载业务有限，大带宽业务无法满足；后续系统扩容成本巨大 ；设备价格昂贵，主要适合于沿海发达城市。 37 2、 EPON： EPON（ Ethernet Passive Optical Network以太无源光网络）是一种新型的光纤接入网技术，它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务。它在物理层采用了 PON技术，在链路层使用以太网协议，利用 PON的拓扑结构实现了以太网的接入。因此，它综合了 PON技术和以太网技术的优点：低成本；高带宽；扩展性强，灵活快速的服务重组；与现有以太网的兼容性；方便的管理等等。 EPON媒质的性质是共享媒质和点到点网络的结合。在下行方向，拥有共享媒质的连接性，而在上行方向其行为特性就如同点到点网络。 下行方向： OLT发出的以太网数据报经过一个 1:n的无源光分路器或几级分路器传送到每一个 ONU。 上行方向：由于无源光合路器的方向特性，任何一个 ONU发出的数据包只能到达 OLT，而不能到达其他的 ONU。 EPON在上行方向上的行为特点与点到点网络相同。但是，不同于一个真正的点到点网络，在 EPON种，所有的 ONU都属于同一个冲突域 来自不同 的 ONU的数据包如果同时传输依然可能会冲突。因此在上行方向， EPON需要采用某种仲裁机制来避免数据冲突。 38 EPON特点： 兼容现有以太网 传输距离和 ODN： 有以下两种格式： OLT和 ONU之间最大传输距离 10KM，支持的最大分路比至少为 1:32； OLT和 ONU之间最大传输距离 20KM，支持的最大分路比至少为 1:16； 传输速率：上下行速率均为 1.25Gbps 单纤双向系统： 上行使用 12601360nm波长； 下行使用 14801500nm波长； 如果实现 CATV，应使用 15401560nm波长。 EPON可采用树型（ 1xN分路器）、总线型（ 1x2分接耦合器）和环型（ 2x2分接耦合器）网络拓扑结构。 39 EPON接入系统 的组成： 一套典型的 EPON 系统由硬件和软件两大部分构成： 硬件部分主要包括有源网络设备和无源光分配网两大部分 有源设备包括： 光线路终端 OLT和光网络单元 /光网络终端 ONU/ONT。 由局端到用户端的光纤和无源光分配器的无源光分配网： 无源光网络 /光分配网 PON/ODN。 软件： 相应的控制管理软件。 传输距离：两个因素影响无源光网络的传输距离： 第一、由光线路终端（ OLT）的发射光功率和 ODN的损耗决定。 第二、光网络单元 ONU同时发射的风险。 40 EPON系统组成 OLT EPON系统 OLT 光线路终端 ODN 光分发网络 ONU（ ONT)光网络单元 41 特点： 局端（ OLT）与用户（ ONU）之间仅有光纤、光分路器等光无源器件，无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员，因此，可有效节省建设和运营维护成本； EPON采用以太网的传输格式同时也是用户局域网 /驻地网的主流技术，二者具有天然的融合性，消除了复杂的传输协议转换带来的成本因素； 采用单纤波分复用技术（下行 1490nm，上行 1310nm），仅需一根主干光纤和一个 OLT，传输距离可达 20公里。在 ONU侧通过光分路器分送给最多 32个用户，因此可大大降低 OLT和主干光纤的成本压力； 上下行均为千兆速率，下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享带宽，上行利用时分复用（ TDMA）共享带宽。高速宽带，充分满足接入网客户的带宽需求，并可方便灵活的根据用户需求的变化动态分配带宽； 点对多点的结构，只需增加 ONU数量和少量用户侧光纤即可方便地对系统进行扩容升级，充分保护运营商的投资 ； 42 EPON工作原理 下行方向 ONU位于网络侧，连接路由器或交换机。 采用以太网协议； 提供网络接入，完成光电转换、带宽分配等功能。 OLT将数据以 可变长度 的数据包 广播 传输给所有在 EPON上的 ONU； 每个包携带一个具有传输到目的地 ONU标识的信头。 数据到达 ONU时，由 ONU进行地址解析，提取出自己的数据包，丢弃其他的数据包。 上行方向 ONU位于用户侧，采用以太网协议实现第二层和第三层的交换路由功能。 上行为点到点结构， ONU发送的信息只会到达 OLT，不会到达其他的 ONU。 为避免数据冲突并提高网络利用率，上行采用 TDMA多址接入方式。 多个 ONU的上行信息组成一个 TDM信息流传送到 OLT。 43 EPON工作原理 在 EPON中，因为所有用户终端共享 OLT和光纤，所以每个用户终端的可用带宽也是共享的。可共享的总带宽取决于分光器的分光比。例如， EPON的分路比为 1:32时，每个 ONU的平均可用带宽是 32Mb/s。 上行为多点到一点的拓扑结构，每个 ONU发送时隙必须与 OLT的系统时钟分配的时隙保持一致，以防止各个ONU上行数据发生碰撞； ONU的时钟应与 OLT的时钟同步：采用时间标签方式。 OLT侧有一个全局计数器，下行方向 OLT根据本地的计数器插入时钟标签； ONU根据收到的时钟标签修生本地计数器，完成系统同步。 上行方向 ONU根据本地计数器插入时钟标签， OLT根据接收到的时钟标签完成测距。 44 ONU的自动发现功能： 系统自动完成对新 ONU的发现和注册，不需要人工干预； 新 ONU的加入不影响运行中的 ONU； 能够在短时间内（ 60s）完成新 ONU的自动加入； 根据 ONU距 OLT最远距离优化 ONU自动加入参数，支持最远距离为30km的 ONU的自动加入。 （ 1） ONU的自动发现加入过程如下： OLT周期的向系统各个 ONU广播发送目的地址为广播 LLID（全零）的注册授权帧，并根据系统内距离最远的 ONU确定授权大小。 新的 ONU收到注册受权后，在授权分配的时间内向 OLT发送注册请求帧，并等待接收 OLT发送的注册帧。 如果 ONU在发送注册请求帧一段时间后（比如 100ms）还没有收到 OLT发出的注册帧，则认为注册冲突，自动延迟一段时间后，等待新的注册授权信息。 OLT接受到 ONU发出的注册请求帧后，为该 ONU分配 ONU ID，然后以广播 LLID向该 ONU发送注册帧，目的 MAC地址指向该 ONU。 当 OLU在同一个注册窗内收到多个 ONU的没有混叠的注册请求帧时， OLT不做任何处理。只有收到唯一一个注册请求帧时，才进行处理。 45 在发送注册帧后， OLT给该 ONU发送授权以使该 ONU发送注册确认帧，并等待改 ONU发出的注册确认帧，该授权在 OLT认为 ONU注册失败前始终有效。 新 ONU收到注册帧后，用新分配的 ONU ID覆盖原来的 ID，同时等待OLT的注册确认帧授权以发送注册确认帧，通知 OLT新 ONU ID刷新成功，同时等待带宽授权。 OLT在发送注册确认帧授权后一段时间内收到 ONU